СПОСОБ АНАЛИЗА ТВЕРДЫХ ТЕЛ С ПОМОЩЬЮ ИОННОГО ИСТОЧНИКА ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ Российский патент 2001 года по МПК G01N21/62 

Изобретение относится к области аналитической химии и может быть использовано, например, для элементного анализа компактных твердых тел методом эмиссионного спектрального анализа и масс-спектральным методом.

Известен способ анализа твердых тел с помощью ионного источника тлеющего разряда. Анализируемое вещество в виде стержня диаметром 1-3 мм и длиной 10-20 мм закрепляют в держателе, который расположен в разрядной камере. Анализируемое вещество является катодом, разрядная камера анодом. В разрядную камеру напускают какой-либо инертный газ, например аргон, при давлении 1-100 Па. Между катодом и анодом прикладывают разность потенциалов до 1 кВ, вследствие чего зажигается тлеющий разряд, и вокруг образца возникает низкотемпературная катодная плазма. Ионы аргона бомбардируют образец, распыляют его; распыленные атомы поступают в плазму и ионизируются (Glow Discharge Spectroscopies. Ed. by R. Kennet Marcus. Plernim Press, New York, 1993. Стр. 362).

Недостатком такого способа является его низкая эффективность, которая вызвана очень низкой степенью ионизации распыленных атомов и почти сферическим разлетом плазмы. В результате лишь около 0.001% распыленных атомов в виде ионов попадает в вытягивающее отверстие, остальные атомы и ионы остаются на стенках разрядной камеры, что значительно ограничивает абсолютную и относительную чувствительность анализа.

Известен принятый за прототип способ анализа твердых тел с помощью ионного источника тлеющего разряда с полым катодом (Inorganic Mass Spectrometry. Ed. by F. Adams, R. Gijbels, R. Van Grieken, J. Willey & Sons, 1988, стр. 404). В этом способе анализируемое вещество в виде порошка или жидкой пасты наносится на внутренние стенки полого катода. В тлеющем разряде порошок распыляется бомбардирующими ионами, атомы ионизируются и регистрируются в масс-спектрометре. Степень ионизации в полом катоде гораздо выше и может достигать нескольких процентов, что увеличивает относительную чувствительность анализа.

Однако этот процесс не может быть стабильным и непрерывным, т.к. порошок быстро распыляется в результате ионной бомбардировки, и для продолжения анализа на стенки полого катода необходимо наносить новые порции образца. Аналитический сигнал нестабилен, поэтому такой метод анализа не получил распространения. Компактные твердые тела в описанном способе анализировать нельзя, а перевести их в порошкообразную форму не всегда представляется возможным, кроме того, такой перевод неизбежно связан с загрязнением образца.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи увеличения эффективности ионного источника при анализе твердых тел за счет повышения степени ионизации и стабильности аналитического сигнала, а также расширения видов анализируемых веществ, в частности, компактных.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в способе анализа твердых тел с помощью ионного источника тлеющего разряда с полым катодом, включающем размещение анализируемого вещества в полом катоде, новым является то, что анализируемое вещество берут в виде стержня, закрепляют его на оси полого катода и процесс ведут при давлении газа в полом катоде и разрядном напряжении между катодом и анодом, подобранными таким образом, что образующаяся плазма проникает в полость катода на глубину 5-10 мм.

В полом катоде ионы одновременно бомбардируют образец и внутренние стенки катода. Поток ионов из плазмы разряда определяется напряженностью поля в области темного катодного пространства, которое примыкает и к образцу, и к внутренним стенкам катода. Вследствие малого радиуса кривизны поверхности образца поток ионов на эту поверхность примерно на порядок больше, чем на стенки полого катода. Соответственно выше и скорость распыления образца. В результате материал образца частично напыляется на внутренние стенки катода, что также позволяет уменьшить фон источника. Распыленные атомы ионизируются в области отрицательного свечения тлеющего разряда. В результате образуется поток плазмы из полости катода, который направляется к вытягивающему отверстию. Для проведения непрерывного длительного распыления образец можно непрерывно вводить в полый катод с помощью соответствующего манипулятора.

Предложенная совокупность признаков является неизвестной, поэтому изобретение соответствует критерию "новизны", а позволяя достичь решения новой задачи, и критерию "изобретательский уровень".

Пример:
Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется чертежом, где 1 - разрядная камера, 2 - полый катод, 3 - держатель образца, 4 - анализируемый образец, 5 - отверстие для вытягивания ионов, 6 - капилляр для напуска аргона, 7 - анод.

В разрядной камере 1 устанавливается полый катод 2. На оси полого катода с помощью держателя образца 3 закрепляется анализируемый образец. Диаметр образца 1-1,5 мм. Он приблизительно в 5-10 раз меньше внутреннего диаметра полого катода. Глубина полости катода около 20 мм. Внутренний диаметр полого катода 5-10 мм. Напротив полого катода располагается отверстие 5. Оно служит для откачки разрядной камеры и для вытягивания ионов из плазмы. В полый катод через капилляр 6 напускается любой инертный газ, например аргон. Скорость ввода аргона такова, чтобы его давление в полости катода было не выше 1-10 Па. На полый катод подается отрицательное относительно разрядной камеры напряжение 1-4 кВ через балластное сопротивление 10-100 кОм. В результате в полости катода возникает тлеющий разряд. Глубина проникновения разряда в полость катода зависит от напряжения разряда и давления аргона. Их величина должна быть такой, чтобы разряд проникал в полость катода на глубину 5-10 мм. В этом случае распыляется лишь верхняя часть образца, что позволяет предотвратить распыление держателя и уменьшить фон источника. С увеличением разрядного напряжения и тока возрастает скорость распыления образца. При токе разряда 20 мА и напряжении разряда 1-3 кВ скорость распыления образца составляет около 20 мкм/час, т.е. за время проведения спектрального или масс-спектрального анализа конфигурация электродов изменяется незначительно. Для предотвращения перехода разряда из полого катода на его внешнюю поверхность анод 7 располагается на расстоянии 0,5-1,5 мм от катода.

Расходимость плазменного потока не превышает 100. При токе разряда 20 мА из вытягивающего отверстия 1,5 мм при ускоряющем напряжении 7 кВ извлекается ионный ток до 0,1 мА, что более чем на порядок выше ионного тока, получаемого от ионного источника с квазипланарной конфигурацией электродов (см. патент-аналог). Высокая яркость плазмы полого катода позволяет использовать предлагаемый источник для анализа твердых тел и в эмиссионной спектрометрии. Для увеличения степени ионизации распыленного материала в плазме полый катод может быть помещен в продольное магнитное поле напряженностью около 1000 эрстед.

В тлеющем разряде полого катода можно распылять также непроводящие вещества, как, например, геологические образцы, а также различные виды пластмасс, например фторопласт, оргстекло и т.д., при этом непроводящие вещества также располагаются по оси полого катода.

Использование: в области аналитической химии, например, для элементного анализа компактных твердых тел методом эмиссионного спектрального анализа и масс-спектральным методом. Техническим результатом изобретения является увеличение эффективности ионного источника при анализе твердых тел за счет повышения степени ионизации и стабильности аналитического сигнала, а также расширение видов анализируемых веществ, в частности, компактных. Способ анализа твердых тел с помощью ионного источника тлеющего разряда с полым катодом включает размещение анализируемого вещества в полом катоде, причем анализируемое вещество берут в виде стержня, закрепляют его на оси полого катода и процесс ведут при давлении газа в полом катоде и разрядном напряжении между катодом и анодом, подобранными таким образом, что образующаяся плазма проникает в полость катода на глубину 5 - 10 мм. 1 ил.

Способ анализа твердых тел с помощью ионного источника тлеющего разряда с полым катодом, включающий размещение анализируемого вещества в полом катоде, отличающийся тем, что анализируемое вещество берут в виде стержня, закрепляют его на оси полого катода и процесс ведут при давлении газа в полом катоде и разрядном напряжении между катодом и анодом, подобранными таким образом, что образующаяся плазма проникает в полость катода на глубину 5-10 мм.